大型柴油发电机组专用吊具设计

(中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海 200090)

目前，由于柴油发电机组都经过整机台架试验后出厂，普遍采用整装法吊运安装。为了保证柴机油组的安全快速吊运，机组吊装均需使用特制吊具。特制吊具应根据柴油发电机组的几何尺寸、重量、重心位置等特性进行设计，能够合理分配各吊点的受力，保证柴油发电机组的平稳起吊，不使柴油发电机组发生过大变形，保证柴油发电机组的装配精度。考虑到柴油发电机组可能会经历有多次试验和维修，需要反复使用吊具进行吊运。吊具设计的合理与否，以及吊具的力学性能和安全性，直接影响机组吊装的成败。大型柴油发电机组造价昂贵，一旦吊具设计失败，将会造成机组破坏性的损伤甚至人员伤亡，经济损失和影响不可估量。

1 吊具设计及吊装方法

1.1 设计需求

柴油发电机组长10.5 m，宽3 m，高4.2 m。重约920 kN，机组运输底座重量约为5 t，吊运时连同运输底座一同起吊。由于机组重量大、跨度长，起吊时容易发生中部下沉现象，造成高弹性联轴器等连接构件变形损坏，故在机组公共底座中部布置辅吊点。机组及其吊点位置见图1。

图1 机组及吊点位置示意

吊具设计应能实现柴油发电机组的平稳起吊，用简便易行的方法实现吊装过程中的重心调整；考虑余量，吊具的设计载荷为1 000 kN；吊装过程中需避免吊索具对机组及其附件造成干涉、挤压；吊具属于吊装设备，按照《起重机设计规范》校核结构强度。

1.2 结构设计

吊具的吊梁整体为田字形框架结构，框架4角设有大肘板保证稳定性。框架总长为5.5 m、宽为3 m、高约1.1 m。梁体截面为H型钢。吊梁上部设4个吊装孔，通过卸扣、吊带与行车吊钩相连。吊梁下部主吊点吊装孔设计成沿长度方向对称设置一排多个吊装孔，当柴油发电机组实际重心与理论重心存在差异时，可以通过选择不同的吊装孔进行调整。2个辅助吊点配有手拉葫芦和测力计，可以调节控制辅助吊点承载。见图2。

图2 吊具结构及原理示意

H型钢翼板等宽等厚，侧向刚度大，上下翼板相互平行，相比其他型材加工安装方便，而且抗弯能力强，是吊梁的理想截面形式。

框架式吊梁形式构造简单、易于制作，框架的宽度与柴油机宽度一致，可以避免索具与柴油机及配件发生干涉、挤压。

由于柴油发电机组长度达10 m，如果仅采用4点起吊方式，跨度过大，会造成机组中部下沉的情况，导致机组高弹性联轴器等连接结构变形过大影响机组整体性能。因此，在吊具中部增加2个辅助吊点，宽度方向对称布置，这样可以有效减轻机组中部下沉的程度，保证机组安装质量。

柴油发电机组在设计、试验、安装使用、检修等情况下，机组重心位置不可避免的发生变化，将吊梁下部主吊点系挂孔设计为一排多孔形式，以间距150 mm等距分布，可以调整4个主吊点系挂孔的位置，保证柴油发电机组平稳起吊。

1.3 吊装方法

柴油发电机组正式吊运前，需进行试吊，通过多次试吊，调整4个主吊点吊装孔的位置，保证吊钩与柴油发电机组重心在同一竖直线上。各吊装孔位置确定好后，缓慢起吊，主吊点吊带张紧后实时观察起重机上显示的载荷，达到800 kN前，辅助吊点索具上远程遥感测力计的示值始终保持在100 kN，少增多减，操作辅助吊点的手拉葫芦随时调节(见图2b))，直至机组整体脱离地面。缓慢提升机组距离地面200 mm，确认所有索具连接牢固后，缓慢进行起吊转运。

1.4 强度校核

运用CAE技术进行结构强度分析，快速计算，找到吊具设计的薄弱环节。相比传统经验计算方法，更加准确，能够考虑不同吊具的更多设计细节。

1.4.1 有限元模型

应用ANSYS进行有限元计算，几何清理和网格划分在Hypermesh中完成。在Inventor中建立几何模型。采用Shell181单元进行模拟，能够更好地反映结构弯曲情况。吊耳中心点选用Mass21质量点单元，并建立多点约束区域。整体网格尺寸约为50 mm,吊耳处网格适当细化。有限元模型见图3。

图3 吊具有限元模型

1.4.2 材料属性

吊梁主体材料为Q235，屈服极限235 MPa，弹性模量E=206 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85×10-6kg/mm3。

1.4.3 载荷工况

吊具设计载荷为1 000 kN，计算载荷取为设计载荷的1.25倍，即1 250 kN。由于柴油发电机组吊装作业过程起重设备运行缓慢，动载荷很小，并且不会在大风雨雪天气进行作业，因此,不考虑动载荷系数和环境载荷系数。

1.4.4 静力分析结果

由计算结果云图(见图4)可知，吊具最大von-Mises应力为136.95 MPa。出现在上吊耳与吊梁焊接处。根据《起重机设计规范》要求，安全系数为1.48，许用应力为158.784 MPa。表明吊具结构强度满足设计要求。

图4 吊具von-Mises应力云图

吊具刚度应满足静挠度要求，吊具有效悬臂长度为3 200 mm，许用静挠度为[f1]=(1/350)×3 200=9.14 mm。吊具最大位移为0.77 mm，且出现在吊耳与肘板相连处，可见吊具的刚度位移满足要求，见图5。

图5 吊具位移云图

2 试验验证

加载试验是对吊具承载能力最直接的验证，试验中还可以发现一些预料不到的操作问题。加载试验分为静载试验和动载试验。考虑到柴油发电机组吊装时吊车速度慢、精度高，吊装过程中动载荷很小；另外试验吊车与吊装车间使用的吊车不同，动载试验本身无法模拟实际使用情况；而且根据以往经验，静载试验载荷已经较为保守，能够充分验证吊具承载能力，因此，免去动载试验。

静载试验载荷为1 250 kN，为吊具设计载荷的1.25倍。试验用的起重设备为大型汽车吊，最大额定起重量为5 000 kN。试验砝码为铸铁砝码，单块重量分为50及100 kN。共取1 200 kN配重砝码均匀置于配重框架上，保证载荷重心与吊钩在同一竖直线上。配重框架重为50 kN。

试验准备就绪后，缓慢操作吊车提升负载，负载离开地面100～200 mm高度，保持10 min。

卸载后观察吊具外观，未发现裂纹、油漆脱落等对吊具性能和安全有影响的损坏，各焊缝完好。吊带没有崩开撕裂，吊耳耳孔没有变形。重新测量吊具尺寸，与试验前吊具尺寸对比，未发生变化。

3 结论

大型柴油发电机组专用吊具针对特定的柴油发电机组而设计，使用范围有限，批量小。在满足使用要求的前提下，应考虑经济性、生产周期、运输存放等问题。目前，该吊具已经多次顺利完成柴油发电机组的吊装任务，效果良好。设计合理、适用、操作简便的专用吊具，不仅满足吊装作业需求，提高了吊装效率，而且对保障机组的质量、安全，以及施工人员的人身安全都具有重要意义。